本科《土木工程材料》全書教學課件

土木工程材料

緒論土木工程材料發(fā)展概況土木工程材料的分類土木工程材料對土木工程的影響土木工程材料的選擇和使用0.10.20.30.4學習“土木工程材料”課程的目的和方法0.50.1土木工程材料發(fā)展概況土木工程材料是指在土木工程中所使用的各種材料的總稱，是一切土木工程實體的物質(zhì)基礎(chǔ)。土木工程材料是隨著人類社會生產(chǎn)力和科技水平的提高而逐步發(fā)展起來的。人類最初是直接從自然界中獲取天然材料并將其用作土木工程材料的，如黏土、石材、木材等。隨著燒制黏土磚、瓦的出現(xiàn)和石灰等氣硬性膠凝材料在土木工程中的應(yīng)用，人類逐漸沖破了天然土木工程材料的束縛。0.1土木工程材料發(fā)展概況燒制材料的出現(xiàn)是土木工程材料的第一次飛躍，成為人類建筑史上的一個里程碑。至今，世界上仍然保留著許多經(jīng)典的古建筑，如我國的長城、布達拉宮和趙州橋，埃及的金字塔，意大利的羅馬圓形大劇場等。這些均顯示了古代建筑技術(shù)及材料應(yīng)用方面的輝煌成就?；炷恋拇罅渴褂檬峭聊竟こ滩牧系牡诙物w躍。19世紀初，硅酸鹽水泥的出現(xiàn)為混凝土的應(yīng)用提供了物質(zhì)條件，而鋼筋混凝土為土木工程提供了更多的結(jié)構(gòu)形式。0.1土木工程材料發(fā)展概況鋼材的大規(guī)模使用是土木工程材料的第三次飛躍。由鋼材應(yīng)用于簡單的梁、拱結(jié)構(gòu)發(fā)展到應(yīng)用于桁架、框架、網(wǎng)架和懸索結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)形式百花爭艷的局面，而建筑物跨徑由磚、石、木結(jié)構(gòu)的幾十米發(fā)展到鋼結(jié)構(gòu)的幾百米乃至上千米，創(chuàng)造出史無前例的奇跡。進入20世紀之后，特別是進入21世紀以來，由于社會生產(chǎn)力突飛猛進的發(fā)展，以及材料科學和工程科學的形成與發(fā)展，土木工程材料的性能和質(zhì)量不斷提高，品種不斷增加，以有機材料為主的合成材料異軍突起，復(fù)合材料及一些具有特殊功能的土木工程材料（如絕熱材料、隔聲材料、裝飾材料及納米材料等）應(yīng)運而生。0.1土木工程材料發(fā)展概況社會的進步、環(huán)境保護和節(jié)能降耗的需要，對土木工程材料提出了更高、更多的要求。土木工程材料逐漸朝著高性能化、復(fù)合化、多功能化及綠色化的方向發(fā)展。0.2土木工程材料的分類土木工程材料來源廣泛，性質(zhì)各異，用途不同，種類繁多。根據(jù)不同的分類方法，可以將土木工程材料劃分成不同的種類。根據(jù)使用功能的不同，可將土木工程材料分為結(jié)構(gòu)材料（梁、板、柱等所用的材料）、圍護材料（墻體、屋面材料等）和功能材料（防水、保溫、裝飾等材料）。按照化學成分的不同，可將土木工程材料分為無機材料、有機材料和復(fù)合材料三大類，它們又可進行更為詳細的劃分，具體如圖0-1所示。0.2土木工程材料的分類圖0-1土木工程材料的分類0.2土木工程材料的分類此外，根據(jù)材料來源的不同，還可將土木工程材料分為天然材料和人造材料。其中，人造材料又可按冶金、窯業(yè)（水泥、玻璃、陶瓷等）、石油化工等材料制造部門來分類。根據(jù)使用部位的不同，又可將土木工程材料分為承重材料、屋面材料、墻體材料和地面材料等。0.3土木工程材料對土木工程的影響土木工程材料對土木工程的影響可以從以下幾個方面來說明：（1）土木工程材料是保證土木工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。土木工程材料不僅是構(gòu)成土木工程建（構(gòu)）筑物的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是其質(zhì)量基礎(chǔ)。在土木工程中，從材料的生產(chǎn)、選擇、使用和檢驗評定到材料的儲存、保管，任何環(huán)節(jié)的失誤都可能造成工程的質(zhì)量缺陷，甚至導致重大質(zhì)量事故。因此，合格的土木工程技術(shù)人員必須準確、熟練地掌握土木工程材料的有關(guān)知識。為保證土木工程材料的質(zhì)量，世界范圍內(nèi)統(tǒng)一使用國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）標準，而我國也從不同的層次制定了相應(yīng)的標準，分別有國家標準、行業(yè)標準和地方標準。這些標準和規(guī)范確保了土木工程材料的標準化，以保證土木工程的質(zhì)量。0.3土木工程材料對土木工程的影響（2）土木工程材料對土木工程造價也有一定的影響。在一般土木工程的總造價中，與材料有關(guān)的費用占50%以上，而在實際工程中，材料的選擇、使用及管理對工程成本影響也很大。學習并準確熟練地掌握土木工程材料的知識，可以優(yōu)化選擇和正確使用材料，充分利用材料的各種功能，在保證優(yōu)質(zhì)的同時可顯著降低工程造價。0.3土木工程材料對土木工程的影響（3）土木工程材料對土木工程技術(shù)進步起促進作用。在土木工程的建設(shè)過程中，工程的設(shè)計方法、施工方法都與材料密切相關(guān)。從根本上說，材料是基礎(chǔ)，是決定土木工程結(jié)構(gòu)形式和施工方法的主要因素。因此，材料性能的改進、材料應(yīng)用技術(shù)的進步都會直接促進土木工程技術(shù)的進步。例如，鋼材及水泥取代了過去的磚、石、木，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占據(jù)了建筑結(jié)構(gòu)形式的主導地位。現(xiàn)代玻璃、陶瓷、塑料、涂料等新型材料及復(fù)合材料的大量應(yīng)用使建筑物的結(jié)構(gòu)形式更加豐富多彩。由此可見，土木工程材料在土木工程中有著舉足輕重的地位，對土木工程的發(fā)展起著不可忽視的作用。0.4土木工程材料的選擇和使用土木工程材料的種類繁多、性質(zhì)各異，并且不同的建筑或者同一建筑的不同部位對材料的要求也不盡相同，如衛(wèi)生間的地面需要防水材料，而室內(nèi)其他地面則更加注重保溫等性能。因此，土木工程材料的選擇和使用顯得尤為關(guān)鍵。為確保工程質(zhì)量，滿足設(shè)計要求，在選擇使用土木工程材料時，應(yīng)從以下幾個方面考慮：0.4土木工程材料的選擇和使用（1）材料的功能性。材料所應(yīng)具有的功能應(yīng)該與材料使用場所的特點結(jié)合考慮。根據(jù)土木工程功能的需要，要求材料具有相應(yīng)的防水、絕熱、隔聲、防火、裝飾等性質(zhì)。例如，在人流密集的商場，應(yīng)采用耐磨性好、易清潔的地面裝飾材料；影劇院的地面材料還應(yīng)有一定的吸聲功能；廚房的墻面和頂棚宜采用耐污性和耐水性良好的裝飾材料，其他面應(yīng)選用防水性能優(yōu)異的材料；等等。在選擇使用材料時，必須考慮其使用部位及與之相應(yīng)的功能。0.4土木工程材料的選擇和使用（2）材料的耐久性。為了保證建筑物等在遭受風吹、日曬、雨淋、冰凍及周圍各種有害介質(zhì)侵蝕的情況下仍能長期使用，要求材料具有良好的耐久性。材料的耐久性主要包括以下三個方面的內(nèi)容：0.4土木工程材料的選擇和使用①力學性能。力學性能主要包括強度、受力變形、黏結(jié)性、耐磨性及可加工性等。②物理性能。物理性能主要包括密度、吸水性、耐水性、抗?jié)B性、耐熱性、絕熱性、耐火性、絕緣性、吸聲性、隔聲性、光吸收性、光反射性等。③化學性能?；瘜W性能主要包括耐酸堿性、大氣侵蝕等。材料的耐久性是材料使用時應(yīng)考慮的重要因素。0.4土木工程材料的選擇和使用（3）材料的經(jīng)濟性。土木工程材料的費用占建設(shè)項目總投資的比例很高。因此，應(yīng)將工程的設(shè)計效果與投資綜合起來考慮，即從長遠性、經(jīng)濟性的角度來考慮，充分利用有限的資金取得最佳的使用效果。（4）材料的環(huán)保性。以往人們在選擇材料時，考慮較多的是材料的功能性和經(jīng)濟性，而忽略了材料的環(huán)保要求。除了人類活動的影響外，造成室內(nèi)污染的因素有兩個，即通風和材料。為了避免對人造成傷害和保護環(huán)境，材料選擇時也要求考慮其環(huán)保性。0.5學習“土木工程材料”課程的目的和方法“土木工程材料”作為土木工程類各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是使學生通過學習獲得土木工程材料的基礎(chǔ)知識，掌握土木工程材料的技術(shù)性能、應(yīng)用方法及其試驗檢測技能，同時對土木工程材料的儲運和保護有所了解，以便在今后的工作實踐中能正確選擇和使用土木工程材料，也為進一步學習其他有關(guān)課程打下基礎(chǔ)。本課程學習的重點是掌握土木工程材料的性能與應(yīng)用，而對土木工程材料的生產(chǎn)只做一般性了解。土木工程材料種類繁多，需要學習和研究的內(nèi)容范圍很廣。因此，對其學習不必面面俱到，而應(yīng)平均分配力量，按主線有重點、點面結(jié)合地進行學習。0.5學習“土木工程材料”課程的目的和方法學習本課程時，要注意了解事物的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。對于同一類屬的不同品種的材料，不但要學習它們的共性，更重要的是了解它們各自的特性和具備這些特性的原因。在教學中，除了課堂教學，還將安排必要的試驗課。試驗課是本課程必不可少的重要教學環(huán)節(jié)，其任務(wù)是驗證基本理論、掌握試驗方法、培養(yǎng)嚴謹縝密的科學態(tài)度和科學研究能力。學生應(yīng)特別注意了解試驗條件對試驗結(jié)果的影響，并對試驗結(jié)果做出正確的分析和判斷。THANKYOU土木工程材料

第1章土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造土木工程材料的物理性質(zhì)土木工程材料的力學性質(zhì)土木工程材料的耐久性1.11.21.31.4第1章土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料是構(gòu)成土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。所有的建筑物、橋梁、道路等都是由各種不同的材料經(jīng)設(shè)計、施工建造而成的。在不同的使用環(huán)境及不同的使用部位，必須使土木工程材料具有與之相適應(yīng)的性質(zhì)。土木工程對材料的要求是復(fù)雜的，材料的選用與其所具有的性質(zhì)是密切相關(guān)的。因此，必須了解土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，掌握土木工程材料的性質(zhì)，從而合理地選用土木工程材料。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

1.1.1土木工程材料的組成要想掌握土木工程材料的性質(zhì)，必須先了解其組成。土木工程材料的組成包括材料的化學組成和礦物組成。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造化學組成1.材料的化學組成是指構(gòu)成材料的化學元素及其化合物。習慣上，將金屬材料的化學組成以主要元素的含量來表示，無機非金屬材料的化學組成則以各種氧化物的含量表示。材料的化學組成是決定材料化學性質(zhì)、物理性質(zhì)和力學性質(zhì)的主要因素，影響著材料的性質(zhì)，如混凝土的碳化、鋼材的銹蝕、石油瀝青的老化、木材的燃燒等性質(zhì)都是由構(gòu)成材料的化學組成所決定的。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造礦物組成2.礦物是指無機非金屬材料中具有特定晶粒結(jié)構(gòu)和特定物理力學性能的組織結(jié)構(gòu)。材料的礦物組成是指構(gòu)成材料的礦物的種類和數(shù)量。而對于某些材料來說，即使化學組成相同，礦物種類和數(shù)量的不同也可能造成其性質(zhì)的差異。就水泥來講，即使其化學組成相同，如果其熟料礦物的組成不同或含量不同，也會使其硬化速度、水化熱、強度、耐腐蝕性等性質(zhì)產(chǎn)生很大的差異。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

1.1.2土木工程材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土木工程材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造同樣決定著其性質(zhì)。一般從宏觀、亞微觀和微觀三個層次來分析研究材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與性質(zhì)的關(guān)系。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造宏觀結(jié)構(gòu)1.宏觀結(jié)構(gòu)是指材料宏觀存在的狀態(tài)，即用肉眼或放大鏡就能觀察到的粗大組織，其尺度范圍在1mm以上。材料的宏觀結(jié)構(gòu)分類及其主要特征如下：（1）密實結(jié)構(gòu)。密實結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部基本上無孔隙，結(jié)構(gòu)致密。這類材料的特點是強度和硬度較高，吸水性小，抗?jié)B和抗凍性好，耐磨性較好，絕熱性差，如鋼材、天然石材、玻璃鋼等。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（2）多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部存在大體上呈均勻分布的、獨立的或部分相通的孔隙，孔隙率較高，孔隙又有大孔和微孔之分。具有多孔結(jié)構(gòu)的材料，其性質(zhì)取決于孔隙的特征、數(shù)量、大小及分布情況。一般來說，這類材料的強度較低，抗?jié)B性和抗凍性較差，絕熱性較好，如加氣混凝土、石膏制品、燒結(jié)普通磚等。（3）纖維結(jié)構(gòu)。纖維結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部組成具有方向性，縱向較緊密而橫向疏松，組織中存在相當多的孔隙。這類材料一般平行纖維方向的強度較高，導熱性較好，如木材、竹材、玻璃纖維、石棉等。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（4）層狀結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)的材料具有疊合結(jié)構(gòu)，用膠結(jié)料將不同的片材膠合成整體，其每一層的材料性質(zhì)不同，但疊合成層狀結(jié)構(gòu)的材料后，可獲得平面各向同性，更重要的是可以顯著提高材料的強度、硬度、絕熱或裝飾等性質(zhì)，擴大其使用范圍，如膠合板、紙面石膏板、塑料貼面板等。（5）散粒結(jié)構(gòu)。散粒結(jié)構(gòu)材料是指呈松散顆粒狀的材料，有密實顆粒與輕質(zhì)多孔顆粒之分。前者有砂子、石子等，其結(jié)構(gòu)致密，強度高，其用作混凝土集料時，要求緊密堆積，為輕質(zhì)多孔粒狀材料；用作保溫填充料時，則希望空隙率大一些好。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（6）紋理結(jié)構(gòu)。天然材料在生長或形成過程中自然形成的天然紋理和人工制造材料時特意造成的紋理使材料具有良好的裝飾性。為了提高建筑材料的美觀性，目前廣泛采用仿真技術(shù)，已研制出具有多種紋理的裝飾材料。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造亞微觀結(jié)構(gòu)2.亞微觀結(jié)構(gòu)也稱為細觀結(jié)構(gòu)，是指用光學顯微鏡能觀察到的結(jié)構(gòu)，是介于宏觀和微觀之間的結(jié)構(gòu)，其尺度范圍可達到微米級，如天然巖石的礦物、晶體顆粒、非晶體組織，鋼材的鐵素體、滲碳體和珠光體，木材的木纖維、導管、髓線和樹脂道等顯微組織，以及混凝土的裂縫等。在亞微觀結(jié)構(gòu)層次上，材料各種組織的性質(zhì)是各不相同的，這些組織的特征、數(shù)量、分布，以及界面之間的結(jié)合情況等，都對土木工程材料的整體性質(zhì)起著重要的作用。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造微觀結(jié)構(gòu)3.微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次上的結(jié)構(gòu)，其尺度范圍可達到納米級，可借助電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀等手段來分析研究該層次上的結(jié)構(gòu)特征。材料的許多物理、力學性質(zhì)（如強度、硬度、熔點、導熱性、導電性等）都是由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)所決定的。在微觀結(jié)構(gòu)層次上，土木工程固體材料可分為晶體、玻璃體和膠體三類。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（1）晶體。晶體是由質(zhì)點（離子、原子或分子）在空間上按特定的規(guī)則有規(guī)律地排列而成的固體。晶體具有特定的幾何外形、固定的熔點和化學穩(wěn)定性。晶體按質(zhì)點的類型和化學鍵的種類不同分為原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造原子晶體。原子晶體是由中性原子以共價鍵結(jié)合而成的晶體，一般都具有很高的熔點，有些被選為耐火材料。原子晶體（如金剛石）有很高的硬度。①②離子晶體。離子晶體是由正、負離子以離子鍵結(jié)合而成的晶體。離子晶體一般有較高的熔點、沸點。因而MgO、Al2O3等常用作耐高溫材料。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造分子晶體。分子晶體是由極性分子或非極性分子以范德華力（分子鍵）結(jié)合而成的晶體，如冰。③④金屬晶體。金屬晶體是由金屬離子以金屬鍵結(jié)合而成的晶體，如鋼、鋁合金等。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（2）玻璃體。呈熔融狀態(tài)的材料在急速冷卻時，其質(zhì)點來不及或因某種原因不能按規(guī)則排列就產(chǎn)生凝固而形成的結(jié)構(gòu)稱為玻璃體，又稱為無定形體或非晶體，結(jié)構(gòu)特征為質(zhì)點在空間上呈非周期排列。它具有不確定的凝固外形，無固定熔點，存在各向同性的特征。玻璃、釉、塑料等都屬于玻璃體。在一定條件下，玻璃體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，因而玻璃體類物質(zhì)的活性較高，爐渣、火山灰、?；郀t礦渣等材料中都含有一定量的玻璃體成分，故常以這些材料作為水泥的原料，使其在水泥水化、凝結(jié)、硬化中發(fā)揮作用。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（3）膠體。膠體是指物質(zhì)以極微小的質(zhì)點（粒徑為1~100μm）分散在介質(zhì)中所形成的結(jié)構(gòu)。與晶體和玻璃體相比，膠體結(jié)構(gòu)的強度較低，變形較大。膠體的分散質(zhì)顆粒細小，使其具有吸附性、黏結(jié)性。根據(jù)分散質(zhì)與分散介質(zhì)的相對比例不同，膠體結(jié)構(gòu)分為溶膠、溶凝膠和凝膠。乳膠漆是高分子樹脂通過乳化劑分散在水中形成的涂料；道路石油瀝青要求高溫不軟、低溫不脆，需具有溶凝膠結(jié)構(gòu)；硅酸鹽水泥水化形成的水化產(chǎn)物中的凝膠將砂和石黏結(jié)成一個整體，形成人工石材。1.1土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造綜上所述，材料的結(jié)構(gòu)各種各樣，其性質(zhì)也相應(yīng)有很多的不同。與材料的結(jié)構(gòu)相比，材料的構(gòu)造這一概念更強調(diào)相同材料或不同材料間的搭配組合關(guān)系。例如，材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理及疵病等，這些結(jié)構(gòu)的特征、大小、尺寸及形態(tài)決定了材料特有的一些性質(zhì)。若孔隙是開口、細微且連通的，則材料易吸水、吸濕，耐久性較差；若孔隙是封閉的，材料的吸水性會大大下降，抗?jié)B性則提高。因此，對于同種材料來講，其構(gòu)造越密實、越均勻，強度越高，表觀密度越大。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)土木工程材料的物理性質(zhì)包括與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)、與構(gòu)造有關(guān)的性質(zhì)、與水有關(guān)的性質(zhì)和與熱有關(guān)的性質(zhì)。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)

1.2.1土木工程材料與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)密度1.密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按式（1-1）計算。式中,ρ為材料的密度（g/cm3）；m為材料在絕對干燥（絕干）狀態(tài)下的質(zhì)量（g）；V為材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)所謂絕對密實狀態(tài)下的體積，是指不含有任何內(nèi)部孔隙的固體物質(zhì)本身的體積。土木工程材料中除了鋼材、玻璃等少數(shù)材料外，絕大多數(shù)材料都含有一定的孔隙，如磚、石材等常見的塊狀材料。對于這些有孔隙的材料，測定其密度時，需先將其磨成細粉，經(jīng)干燥至恒重后用李氏比重瓶測定其體積，然后按式（1-1）計算其密度值。材料磨得越細，測得的密度數(shù)值就越準確。另外，工程上還經(jīng)常用到相對密度，相對密度是指材料的密度與4°C純水密度之比。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)表觀密度2.表觀密度（又稱視密度、近似密度）是指材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按式（1-2）計算。式中，ρ0為材料的表觀密度（g/cm3）；m為材料的質(zhì)量（g）；V0為材料在自然狀態(tài)（不含開口孔隙時）下的體積（cm3）；Vb為材料內(nèi)部閉口孔隙的體積（cm3）；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)所謂自然狀態(tài)下的體積（又稱表觀體積），是指包含固體物質(zhì)本身的體積及材料內(nèi)部閉合孔隙的體積。當材料含有水分時，其質(zhì)量和體積都會發(fā)生變化，因而表觀密度也會發(fā)生變化。故測定表觀密度時應(yīng)注明含水情況，未特別注明者，常指氣干狀態(tài)下的表觀密度。對于外形規(guī)則的材料，可直接通過測量體積得到表觀密度；對于外形不規(guī)則的材料，則可采用封臘排水法測定表觀體積。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)體積密度3.體積密度（又稱容積密度，俗稱容重）是指材料在自然狀態(tài)下單位宏觀外形體積的質(zhì)量，按式（1-3）計算。式中，ρ′為體積密度（g/cm3）；m為材料的質(zhì)量（g），按有關(guān)標準規(guī)定，該質(zhì)量是指材料在自然狀態(tài)下的氣干質(zhì)量，即將試件置于通風良好的室內(nèi)存放7d后測得的質(zhì)量；V′為材料在自然狀態(tài)下的宏觀外形體積（cm3）；Vk為材料內(nèi)部開口孔隙的體積（cm3）；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)材料在自然狀態(tài)下的宏觀外形體積是指包含材料內(nèi)部所有孔隙（含開口孔隙和閉口孔隙）的體積。對材料進行體積密度試驗時，其質(zhì)量可以在任意含水狀態(tài)下測量，但應(yīng)注明其含水情況，未特別注明時，所測得的密度常指氣干狀態(tài)下的體積密度；在進行材料對比試驗時，則應(yīng)在絕干狀態(tài)下進行。毛體積密度是指單位體積（含材料的實體成分及其閉口孔隙、開口孔隙等物質(zhì)材料表面輪廓線所包圍的毛體積）材料的干質(zhì)量，因其質(zhì)量是指試件烘干后的質(zhì)量，故毛體積密度也稱干體積密度。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)堆積密度4.堆積密度是指散粒狀材料或粉狀材料單位體積（含物質(zhì)固體顆粒及其閉口孔隙、開口孔隙體積及顆粒間的空隙體積）物質(zhì)顆粒的質(zhì)量，有干堆積密度和濕堆積密度之分。堆積密度按式（1-4）計算。式中，ρ′0為材料的堆積密度（g/cm3）；m為材料的質(zhì)量（g）；V′0為材料的堆積體積（cm3）；Vv為散粒狀材料或粉狀材料間空隙的體積（cm3）；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)材料的堆積體積是在自然松散狀態(tài)下將材料按一定的方法裝入一定容積的容器測得的體積。材料的堆積密度反映散粒結(jié)構(gòu)材料堆積的緊密程度及材料可能的堆放空間。堆積體積采用容量筒測定，容量筒的大小視材料顆粒的大小而定，一般測量砂子采用1L的容量筒，測量石子采用10L、20L或30L的容量筒。含孔材料的體積組成如圖1-1所示。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)圖1-1含孔材料的體積組成1—固體；2—閉口孔隙；3—開口孔隙1.2土木工程材料的物理性質(zhì)常見土木工程材料的密度、表觀密度、堆積密度和孔隙率見表1-1。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)

1.2.2土木工程材料與構(gòu)造有關(guān)的性質(zhì)密實度和孔隙率1.1）密實度密實度是指材料固體物質(zhì)的體積占自然狀態(tài)下總體積的百分率，按式（1-5）計算。式中，D為材料的密實度；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)2）孔隙率孔隙率是指材料孔隙體積占自然狀態(tài)下總體積的百分率，按式（1-6）計算。式中，P為材料的孔隙率；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)密實度與孔隙率的關(guān)系可用式（1-7）表示。D+P=1（1-7）材料密實度或孔隙率的大小直接反映材料的密實程度。材料的孔隙率高，則表示其密實程度小。材料的許多性質(zhì)（如強度、熱工性質(zhì)、聲學性質(zhì)、吸水性、吸濕性、抗?jié)B性、抗凍性等）不僅與材料的孔隙率大小有關(guān)，而且與材料的孔隙特征有關(guān)?？紫短卣魇侵覆牧蟽?nèi)部孔隙構(gòu)造上的特征，如孔隙的大小、形狀、分布、連通性等。在一般工程應(yīng)用上，材料的孔隙特征通常主要是指孔隙的連通性，按此可將孔隙分為開口孔隙和閉口孔隙1.2土木工程材料的物理性質(zhì)開口孔隙是指材料內(nèi)部不僅彼此互相貫通，并且與外界相通的孔隙，如常見的毛細孔。在一般浸水條件下，開口孔隙能吸水飽和。開口孔隙能提高材料的吸水性、透水性和吸聲性，并降低材料的抗凍性。閉口孔隙是指材料內(nèi)部彼此不連通，而且與外界隔絕的孔隙。閉口孔隙能提高材料的保溫隔熱性能和材料的耐久性。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)填充率、空隙率和間隙率2.1）填充率填充率是指材料在堆積狀態(tài)下被散粒狀材料的顆粒所填充的程度，按式（1-8）計算：式中，D′為材料的填充率；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)2）空隙率空隙率是指材料在堆積狀態(tài)下散粒狀材料顆粒之間的空隙體積（開口孔隙與間隙之和）所占總體積的百分率，按式（1-9）計算。式中，P′為材料的空隙率；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)空隙率的大小反映了散粒狀材料顆粒之間互相填充的致密程度和集料開口孔隙的多少。填充率與空隙率的關(guān)系可用式（1-10）表示。D′+P′=1（1-10）1.2土木工程材料的物理性質(zhì)3）間隙率間隙率是指材料在堆積狀態(tài)下散粒狀材料顆粒之間的間隙體積占總體積的百分率，按式（1-11）計算。式中，P′0為材料的間隙率；其余符號意義同前。間隙率的大小反映了散粒狀材料的顆粒之間互相填充的致密程度。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)

1.2.3土木工程材料與水有關(guān)的性質(zhì)土木工程材料在使用過程中經(jīng)常會與雨水、地下水、生活用水及大氣中的水汽等接觸，因此，有必要研究材料與水之間的相互作用情況。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)親水性和憎水性1.材料與水接觸時能被水潤濕的性質(zhì)稱為親水性；反之，材料與水接觸時不能被水潤濕的性質(zhì)稱為憎水性。材料的親水與憎水程度可用潤濕角θ來表示，如圖1-2所示。θ越小，表明材料越易被水潤濕。一般認為，當潤濕角θ≤90°時，表明水分子之間的內(nèi)聚力小于或等于水分子與材料之間的吸引力，材料具有親水性；當潤濕角θ>90°時，表明水分子之間的內(nèi)聚力大于水分子與材料之間的吸引力，材料具有憎水性。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)圖1-2材料的潤濕角1.2土木工程材料的物理性質(zhì)具備親水性的材料稱為親水性材料。大多數(shù)土木工程材料（如混凝土、鋼材、磚、石和木材等）都屬于親水性材料。這些材料的表面可以被水潤濕，當材料存在開口孔隙時，水分能通過孔隙的毛細作用自動滲入材料內(nèi)部。一般親水性材料的耐水性差，但可通過對其表面進行憎水處理來改善其耐水性能。具備憎水性的材料稱為憎水性材料。大部分有機材料（如瀝青、石蠟、塑料和有機硅等）都屬于憎水性材料。憎水性材料不能被水潤濕，水分不易滲入其毛細管中，故憎水性材料常用作防水材料。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)吸水性和吸濕性2.1）吸水性材料在水中吸收水分的能力稱為吸水性，以吸水率表示。材料的吸水率有質(zhì)量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。（1）質(zhì)量吸水率。質(zhì)量吸水率是指材料吸水飽和后所吸水的質(zhì)量占材料在干燥狀態(tài)下質(zhì)量的百分率，按式（1-12）計算。式中，Wm為材料的質(zhì)量吸水率（%）；m1為材料吸水飽和后的質(zhì)量（g）；m為材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)（2）體積吸水率。體積吸水率是指材料吸水飽和后所吸水的體積占表觀體積的百分率，按式(1-13)計算。式中，Wv為材料的體積吸水率（%）；Vw為材料吸水飽和后水的體積（cm3）；ρw為水的密度（g/cm3）；其余符號意義同前。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)材料的吸水率與其孔隙特征有很大的關(guān)系。若材料具有閉口孔隙，則水分難以滲入材料內(nèi)部，吸水率就較??；若材料具有粗大的開口孔隙，水分雖容易進入，但不易在孔中保留，吸水率也較??；若材料具有細微而連通的開口孔隙，則材料的吸水能力就特別強。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)2）吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性，并用含水率表示，按式（1-14）計算。式中，W′為材料的含水率（%）；mw為材料含水時的質(zhì)量（g）；m為材料在絕對干燥狀態(tài)下的質(zhì)量（g）。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)材料的吸濕性隨空氣濕度的變化而變化。干燥材料在潮濕環(huán)境下能吸收空氣中的水分，而潮濕材料能在干燥環(huán)境中釋放水分，而且其過程是可逆的。材料與空氣溫濕度相平衡時的含水率稱為平衡含水率（或稱氣干含水率）。材料吸水或吸濕后，其很多性能會受到顯著影響，如材料的表觀密度增大、體積膨脹、強度下降、保溫性能降低、抗凍性變差等。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)3）耐水性耐水性是指材料長期在水的作用下不破壞，而且強度也不顯著降低的性質(zhì)。水對材料的破壞是多方面的，如對材料的力學性質(zhì)、光學性質(zhì)、裝飾性等都會產(chǎn)生破壞作用。材料耐水性用軟化系數(shù)KR表示，按式（1-15）計算。式中，fb為材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）；fg為材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)軟化系數(shù)的大小表明材料在浸水飽和后強度降低的程度。一般材料吸收水分后，其內(nèi)部質(zhì)點間的結(jié)合力會有所減弱，強度也會有不同程度的降低。如果材料中含有某些可溶性物質(zhì)（如石膏、石灰等），則強度降低更為嚴重。即使是致密的花崗巖，如長期浸泡在水中，強度也將下降3%左右。材料的耐水性主要與其組成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有關(guān)。溶解度很小或不溶的材料，則軟化系數(shù)一般較大，如金屬材料的KR=1；若材料可溶于水且具有較大的孔隙率，則其軟化系數(shù)較小或很小，如石膏的KR接近于0。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)軟化系數(shù)數(shù)值一般為0~1。軟化系數(shù)越小，表示材料的耐水性越差。通常軟化系數(shù)大于0.85的材料稱為耐水性材料。軟化系數(shù)的大小有時成為選擇材料的重要依據(jù)。對于經(jīng)常位于水中或受潮嚴重的重要結(jié)構(gòu)物的材料，其軟化系數(shù)不宜小于0.85；受潮較輕或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其軟化系數(shù)不宜小于0.75。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)4）抗?jié)B性材料的抗?jié)B性是指材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。材料的抗?jié)B性常用滲透系數(shù)或抗?jié)B等級來表示。滲透系數(shù)按式（1-16）計算。式中，Ks為滲透系數(shù)（cm/h）；Q為透水量（cm3）；d為試件的厚度（cm）；A為透水面積（cm2）；t為滲水時間（h）；H為水頭高度（cm）,簡稱水壓。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)滲透系數(shù)Ks的物理意義是：在一定時間內(nèi)，在一定的水壓作用下，單位厚度的材料在單位截面面積上的透水量。滲透系數(shù)越小的材料，其抗?jié)B性越好。對于土木工程中大量使用的砂漿、混凝土等材料，其抗?jié)B性能常用抗?jié)B等級來表示。P=10H-1（1-17）式中,為P為抗?jié)B等級；H為材料透水前所能承受的最大水壓力（MPa）。例如，材料的抗?jié)B等級P6表示材料能承受0.6MPa的水壓而不滲水。材料的抗?jié)B等級越大，表示材料的抗?jié)B性越好。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)土木工程材料一般都具有不同程度的滲透性，當材料兩側(cè)存在不同水壓時，周圍的腐蝕性介質(zhì)即可進入材料內(nèi)部，并將所分解的產(chǎn)物帶出，使材料逐漸被破壞，如地下建筑、基礎(chǔ)、壓力管道等經(jīng)常受到壓力水的作用，故所用材料應(yīng)具有一定的抗?jié)B性。專門用于防水的材料要求具有較高的抗?jié)B性。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)5）抗凍性材料在吸水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不發(fā)生破壞，同時強度也不嚴重降低的性質(zhì)稱為抗凍性。土木工程材料的抗凍性用抗凍等級F來表示?？箖龅燃壥侵笇⒉牧衔柡秃?，按規(guī)定方法進行凍融循環(huán)試驗，所能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)，如F25、F100、F300等。抗凍等級越高，材料的抗凍性越好。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)在凍融循環(huán)過程中，材料表面將出現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，質(zhì)量受到損失，強度降低。這是因為當材料孔隙內(nèi)充滿水，且將水溫下降至使孔隙中的水結(jié)冰時，孔隙體積膨脹（約增大9%），將會給孔壁造成很大的靜水壓力（可高達100MPa），致使孔壁開裂。而反復(fù)的凍融又會在材料的內(nèi)外層產(chǎn)生明顯的應(yīng)力差和溫度差，對材料起進一步的破壞作用?？箖鲂灾饕Q于材料內(nèi)部的孔隙率和孔隙特征，孔隙率小及具有封閉孔的材料，其抗凍性較好。另外，抗凍性還與材料吸水飽和的程度、材料本身的強度，以及凍結(jié)條件（如凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度及凍融循環(huán)作用的頻繁程度）等有關(guān)。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)

1.2.4土木工程材料與熱有關(guān)的性質(zhì)導熱性1.導熱性是指當材料兩側(cè)存在溫度差時，熱量將由溫度高的一側(cè)通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)的能力。材料的導熱性可用導熱系數(shù)（熱導率）來表示。材料的導熱能力與材料厚度、傳熱面積、兩側(cè)溫差及熱傳導時間有關(guān)，勻質(zhì)材料的導熱系數(shù)可按式（1-18）計算。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)式中，λ為導熱系數(shù)［W/(m·K)］；Q為傳導的熱量（J）；d為材料的厚度（m）；A為材料的傳熱面積（m2）；t為熱傳導時間（s）；T1、T2分別為材料兩側(cè)的溫度（K）。材料的導熱性受材料的物質(zhì)構(gòu)成、孔隙率、孔隙特征、含水率及熱流方向等因素影響。絕大多數(shù)建筑材料的導熱系數(shù)為0.029~3.49W/(m·K)。λ值越小，說明材料的導熱性越差。土木工程中，一般把λ值小于0.23W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)熱容量和比熱2.1）熱容量材料的熱容量是指材料在溫度變化時吸收和放出熱量的能力，按式（1-19）計算。Q=mct1-t2（1-19）式中，Q為材料的熱容量（kJ）；m為材料的質(zhì)量（kg）；t1-t2為材料受熱或冷卻前后的溫度差（K）；c為材料的比熱［kJ/(kg·K)］。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)2）比熱材料的比熱（或比熱容）c的物理意義是指質(zhì)量為1kg的材料在溫度每改變1K時所吸收或放出的熱量，按式（1-20）計算。比熱是反映材料吸熱或放熱能力大小的物理量。不同材料的比熱不同；即使是同一種材料，由于所處的物態(tài)不同，比熱也不同。例如，水的比熱為4.186kJ/(kg·K)，而結(jié)冰后比熱為2.093kJ/(kg·K)。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)材料的導熱系數(shù)和比熱是設(shè)計建筑物圍護結(jié)構(gòu)（墻體、屋蓋）、進行熱工計算時的重要參數(shù)。進行建筑設(shè)計時，應(yīng)選用導熱系數(shù)較小而熱容量較大的材料，以保持建筑物室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。同時，導熱系數(shù)也是工業(yè)窯爐熱工計算和確定冷藏庫絕熱層厚度的重要數(shù)據(jù)。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)熱阻和導溫系數(shù)3.材料層厚度δ與導熱系數(shù)λ的比值稱為熱阻R。其值R=δ/λ，單位為m2·K/W，它表明熱量通過材料層時所受到的阻力。在同樣的溫差條件下，材料的熱阻越大，通過材料層的熱量越少。在多層平壁導熱條件下，平壁的總熱阻等于各單層材料的熱阻之和。導溫系數(shù)也稱熱擴散率，是材料的一種熱物理性質(zhì)，表示材料被加熱或冷卻時，其內(nèi)部溫度趨于一致的能力。導溫系數(shù)越大，表明材料內(nèi)部的溫度分布趨于均勻越快。其值可按式（1-21）計算。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)式中，α為材料的導溫系數(shù)（m2/s）；ρ為材料的密度（kg/m3）；其余符號意義同前。由熱擴散率的定義可總結(jié)出以下幾點：（1）物體的導熱系數(shù)λ越大，在相同的溫度梯度下可以傳導的熱量越多。（2）分母ρc是單位體積的物體溫度升高1K所需的熱量。ρc越小，溫度升高1K所吸收的熱量越小，可以剩下更多熱量繼續(xù)向物體內(nèi)部傳遞，能使物體各點的溫度更快地隨界面溫度的升高而升高。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)熱擴散率α是λ與1/ρc兩個因子的結(jié)合。α越大，表示物體內(nèi)部溫度趨于一致的能力越大，因而稱為熱擴散率。這種物理上的意義還可以從另一個角度來加以說明，即從溫度的角度看，α越大，材料中溫度變化傳播得越迅速?？梢?，α也是材料傳播溫度變化能力大小的指標，因而稱為導溫系數(shù)。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)耐燃性4.材料對火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性，是影響建筑物防火、建筑結(jié)構(gòu)耐火等級的一項重要因素。土木工程材料按耐燃性不同可分為不燃材料、難燃材料和可燃材料三類。（1）不燃材料。不燃材料是指遇明火或高溫不起火、不碳化、不微燃的材料，如鋼鐵、混凝土、磚、石、玻璃等。（2）難燃材料。難燃材料是指遇明火或高溫難起火、難碳化、難微燃，僅在火焰存在時能繼續(xù)燃燒或微燃，移走火源后立即停止燃燒的材料，如紙面石膏板、水泥刨花板、鋁箔復(fù)合材料、經(jīng)防火處理的木材等。1.2土木工程材料的物理性質(zhì)（3）可燃材料。可燃材料是指遇明火或高溫立即起火或微燃，且在移走火源后能繼續(xù)燃燒或微燃的材料，如木材、瀝青、聚乙烯、聚氨酯、玻璃鋼、化纖織物等。使用可燃材料時,應(yīng)做防燃處理。《建筑材料及制品燃燒性能分級》（GB8624—2012）將建設(shè)工程中使用的建筑材料、裝飾裝修材料及制品的燃燒性能分為A級（不燃材料）、B1級（難燃材料）、B2級（可燃材料）和B3級（易燃材料）4個等級。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)強度1.強度是指材料抵抗外力破壞的能力，常以材料在外力作用下失去承載能力時的極限應(yīng)力來表示，也稱極限強度。工程中材料經(jīng)常承受拉、壓、彎、剪的作用；相應(yīng)地，材料的強度就有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度及抗剪強度，如圖1-3所示。材料的抗拉強度、抗壓強度和抗剪強度可按式（1-22）計算。式中，f為材料的抗拉強度、抗壓強度或抗剪強度（MPa）；Pmax為材料破壞時的最大荷載（N）；A為材料的受力橫截面面積（mm2）。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)圖1-3材料的受力示意1.3土木工程材料的力學性質(zhì)材料的抗彎強度與受力情況有關(guān)，當外力是作用于構(gòu)件中央一點的集中荷載，且構(gòu)件有兩個支點［見圖1-3（c）上圖］；當材料截面為矩形時，材料的抗彎強度可按式（1-23）計算。式中，f為材料的抗彎強度（MPa）；L為試件兩支點間的距離（mm）；b、h分別為試件的截面的寬度和高度（mm）；其余符號意義同前。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)有時抗彎強度的試驗方法是在跨度的三分之一點上作用兩個相等的集中荷載［見圖1-3（c）下圖］，這時材料的抗彎強度按式（1-24）計算。材料的強度與其組成和結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素有關(guān)。即使材料的組成相同，如其構(gòu)造不同，強度也不一樣。材料的孔隙率越大，則強度越小。含有水分的材料，其強度較干燥時的低。溫度升高時，材料的強度一般將降低，這在瀝青混凝土中表現(xiàn)得尤為明顯。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)此外，材料的強度還與測試條件和方法等外部因素有很大關(guān)系。例如，對于相同的材料，采用小試件時測得的強度較大；試件高或加載速度快時，測得的強度值偏高；試件表面不平或表面涂潤滑劑時，測得的強度值偏低。因此，測定材料強度時，必須嚴格按照規(guī)定的試驗方法進行。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)大部分土木工程材料根據(jù)強度的大小不同可劃分為若干強度等級。對于水泥、混凝土、砂漿、磚等脆性材料，以抗壓強度值來劃分強度等級；建筑鋼材主要用于抗拉，則主要以其屈服強度（由拉伸試驗測定）劃分強度等級。衡量材料是否輕質(zhì)高強可采用比強度指標（即單位體積質(zhì)量的材料強度）來表示，其值等于材料的強度與其表觀密度之比。材料的比強度越大，越輕質(zhì)高強。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)變形性能2.材料在外力作用下會發(fā)生變形。當外力消除后，材料能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性，這種可逆的變形稱為彈性變形，如圖1-4（a）所示。當外力消除后，材料仍能保持變形后的形狀尺寸且不出現(xiàn)裂縫的性質(zhì)稱為塑性，這種不可逆的變形稱為塑性變形，如圖1-4（b）所示。實際上，完全的彈性材料或塑性材料是不存在的。許多材料在受力不大時，僅產(chǎn)生彈性變形，可視為彈性材料；當受力超過一定限度后，便出現(xiàn)塑性變形，如低碳鋼。另外，有的材料在受力一開始彈性變形和塑性變形便同時發(fā)生，如圖1-4（c）所示；除去外力后，彈性變形可以恢復(fù)（ab），而塑性變形（Oa）不會消失。這類材料稱為彈塑性材料，如常見的混凝土材料。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)圖1-4材料的彈性變形、塑性變形和塑性變形曲線1.3土木工程材料的力學性質(zhì)脆性和韌性3.1）脆性脆性是指材料在外力作用下無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)，具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。脆性材料的特點是塑性變形很小，且抗壓強度遠大于抗拉強度（脆性材料的抗壓強度是抗拉強度的5~50倍），但承受沖擊或震動荷載的能力很差。脆性材料有花崗巖、大理石、陶瓷、玻璃、黏土磚、普通混凝土和鑄鐵等，常用作承壓構(gòu)件。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)2）韌性韌性是指材料在沖擊或震動荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形而不發(fā)生突然破壞的性質(zhì)，具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料。韌性材料的特點是變形大，特別是塑性變形大，抗拉強度接近或高于抗壓強度。木材、建筑鋼材、橡膠等材料都屬于韌性材料。在土木工程中，要求承受沖擊荷載和有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)（如吊車梁、橋梁、路面等）所用材料均應(yīng)具有較高的韌性。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)硬度和耐磨性4.1）硬度硬度是材料抵抗其他物質(zhì)刻畫或壓入其表面的能力，它與材料強度等性能有一定的關(guān)系。不同種類材料的硬度測量方法不同，通常有刻畫法、壓入法和回彈法。（1）刻畫法?？坍嫹ǔＳ糜诘V物材料的測定，以滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃玉、剛玉和金剛石10種礦物作為標準劃分硬度等級，即莫氏硬度（10級）。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)（2）壓入法。壓入法用于測定金屬材料、塑料、橡膠等材料的硬度。以一定壓力將一定規(guī)格的鋼球或由金剛石制成的尖端壓入試樣表面，根據(jù)壓痕的面積或深度來測定硬度值，常用的硬度表示方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和維氏硬度（HV）。（3）回彈法。回彈法用于測定混凝土表面的硬度，并可間接推算混凝土的強度，也用于測定陶瓷、磚、砂漿、塑料、橡膠等材料的表面硬度和間接推算其強度。1.3土木工程材料的力學性質(zhì)2）耐磨性耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力，以磨損率來表示，按式（1-25）計算。式中，N為材料的磨損率（g/cm2）；m1、m2分別為試件磨損前和磨損后的質(zhì)量（g）；A為試件的受磨面積（cm2）。材料的耐磨性與材料的組成結(jié)構(gòu)及強度和硬度有關(guān)。一般來說，硬度大的材料，耐磨性較好，但不易加工。在土木工程中，有些工程部位（如道路路面、橋面、工業(yè)地面等）經(jīng)常受到磨損，選擇材料時應(yīng)適當考慮強度和耐磨性。1.4土木工程材料的耐久性影響土木工程材料耐久性的因素1.材料在長期使用過程中，在環(huán)境因素作用下，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)，統(tǒng)稱為耐久性。它是土木工程材料的一項綜合性能。在土木工程材料的使用過程中，除內(nèi)在原因使其組成結(jié)構(gòu)或性能發(fā)生變化以外，使用環(huán)境中各種自然因素的作用，包括物理作用、化學作用和生物作用，對其也起到一定程度的作用。（1）物理作用。物理作用包括干濕變化、冷熱變化、凍融變化等。這些變化會使材料體積發(fā)生收縮或膨脹，或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成材料內(nèi)部裂縫擴展，久而久之，材料逐漸發(fā)生破壞。1.4土木工程材料的耐久性（2）化學作用?；瘜W作用包括大氣和環(huán)境水中的酸、堿、鹽等溶液或其他有害物質(zhì)對材料的侵蝕作用，以及日光、紫外線等對材料的作用。這些作用使材料逐漸發(fā)生質(zhì)變、惡化而破壞。（3）生物作用。生物作用包括昆蟲或菌類等的侵害作用。這些作用導致材料發(fā)生蟲蛀、腐朽等而破壞。1.4土木工程材料的耐久性不同的材料有不同的耐久性特點：對無機礦物材料（混凝土、石材等），要考慮其抗凍性、有害氣體等的作用；對金屬材料，主要考慮其化學腐蝕作用；對木材，主要考慮生物作用帶來的損壞。另外，不同的工程環(huán)境對材料的耐久性也有不同的要求，如寒冷地區(qū)室外工程的混凝土應(yīng)考慮其抗凍性；處于有壓力水作用下的水工工程及地下工程所用的混凝土應(yīng)有抗?jié)B性要求。要根據(jù)材料所處的結(jié)構(gòu)部位和使用環(huán)境等因素綜合考慮其耐久性，并根據(jù)各種材料的耐久性特點合理地選用材料。1.4土木工程材料的耐久性提高土木工程材料耐久性的措施2.為了提高材料的耐久性，延長建筑的使用壽命和減少維修費用，可根據(jù)使用情況和材料特性采取相應(yīng)的措施。例如，設(shè)法減輕大氣或周圍介質(zhì)對材料的破壞作用（降低濕度，排除侵蝕性物質(zhì)等）；提高材料本身對外界作用的抵抗性（提高材料的密度，采取防腐措施等），也可用其他材料保護主體材料免受破壞（覆面、抹灰、刷涂料等）。知識庫與土木工程材料性質(zhì)相關(guān)的英文詞匯1.堿alkali合金alloy鋁aluminum灰ash柏油asphalt棒材，撐條，桿件bar梁beam瀝青bitumen砌塊block磚hollowbrick空心磚cellbrick水泥cement陶瓷ceramic，pottery瓷器china黏土clay卵石cobble化合物compound混凝土concrete混凝土保護層concretecover知識庫（磚）層，行course幕墻curtainwall細粒fine玻璃glass礫石gravel砂礫，粗砂grit薄砂漿，灰漿grout石膏gypsum錳manganese大理石marble砌體masonry金屬metal砂漿mortar氖neon無細集料混凝土no-finesaggregateconcrete波特蘭水泥portlandcement知識庫白榴火山灰pozzolana預(yù)應(yīng)力混凝土prestressedconcrete鋼筋reinforcingsteelbar淤泥，粉粒silt鋼材steel石材stone瓦tile木材，木料timber火山灰volcanicash木頭wood早強劑early-strengthadmixture催化劑，促凝劑acceleratingagent活性劑activeagent摻合劑，摻合料，外加劑additive，admixture膠黏劑，黏合劑adhesive加氣水泥aeratedcement加氣混凝土aeratedconcrete知識庫加氣混凝土砌塊aeratedconcreteblock加氣混凝土砌塊隔墻aeratedconcreteblockpartition加氣磚aeratedtile作用劑，試劑agent骨料，集料aggregate引氣混凝土airentrainedconcrete加氣劑airentrainingadmixture密度density表觀密度apparentdensity堆積密度bulkdensity密實度solidity孔隙率porosity孔隙pore空隙率voidage空隙void強度strength彈性elasticity塑性plasticity知識庫脆性brittleness韌性toughness耐久性durability抗壓強度compressivestrength抗拉強度tensilestrength抗剪強度shearingstrength抗彎強度bendingstrength變形deformation潤濕角wettingangle親水性hydrophilicproperty憎水性hydrophobicproperty吸水性water-absorbingquality吸水率watercontent含水率waterpercentage質(zhì)量吸水率specificabsorptionofquality體積吸水率specificabsorptionofvolume質(zhì)量含水率watercontentofquality吸濕性moistureabsorption耐水性waterresistance知識庫飽和saturation比強度specificstrength比熱specificheat導熱率thermalconductivity導熱性permeabilitytoheat導熱系數(shù)coefficientofheatpassage導溫系數(shù)thermaldiffusivity抗凍性freezingresistance抗?jié)B性penetrationresistance熱阻heatresistance知識庫國內(nèi)外土木工程材料相關(guān)標準、規(guī)范介紹2.為了保證土木工程的質(zhì)量，必須實行土木工程材料的標準化，世界范圍統(tǒng)一使用的是ISO國際標準，而各個國家或地區(qū)也制定了不同的標準來規(guī)范土木工程材料的質(zhì)量。中外土木工程標準體系的差異如下：知識庫（1）歐洲國家的標準。歐洲標準是規(guī)范各參與國對土木工程材料的要求，保證土木工程質(zhì)量的標準。歐洲電工標準化委員會（CENELEC，ComitéEuropéendeNormalisationlectrotechnique）和歐洲標準化委員會（CEN，ComitéEuropéendeNormalisation）及它們的聯(lián)合機構(gòu)CEN/CENELEC是歐洲最主要的標準制定機構(gòu)。CENELEC于1976年成立于比利時的布魯塞爾，由兩個早期機構(gòu)合并而成。它的宗旨是協(xié)調(diào)歐洲有關(guān)國家的標準機構(gòu)所頒布的電工標準和消除貿(mào)易上的技術(shù)障礙。在業(yè)務(wù)范圍上，CENELEC主管電工技術(shù)的全部領(lǐng)域，而CEN則管理其他領(lǐng)域。知識庫英國、法國、德國是歐洲標準的三大主要貢獻者，因此，歐洲標準以英語、法語、德語三大官方語言同時出版。英國標準（BS，BritishStandard）是由英國標準協(xié)會（BSI，BritishStandardsInstitution）制定的標準，法國標準(NF，NormesFrancaises)是由法國標準化協(xié)會（AFNOR,AssociationFrancaisedeNormalisation）設(shè)立的技術(shù)委員會制定的標準，德國標準（DIN，DeutschIndustrialNorman）是由德國標準化委員會的代表們討論和制定的特定領(lǐng)域的標準化要求，并最終形成的標準。各國在實施歐洲標準時，可視本國需要將其翻譯成本國語言，但必須完全等同，不能有任何偏差。知識庫歐洲是依靠歐盟統(tǒng)一化的思想，將歐洲主要國家（英國、法國、德國等）的標準加以甄別修改，轉(zhuǎn)化為全歐洲統(tǒng)一的標準，以促進成員國在產(chǎn)品、材料、技術(shù)等方面的深入交流，有著較大的益處。知識庫（2）美國標準。在美國從事土木工程，其標準的制定機構(gòu)是美國的行業(yè)協(xié)會，如建筑材料應(yīng)遵從美國材料與試驗協(xié)會（ASTM,AmericanSocietyTestingandMaterials）標準，混凝土結(jié)構(gòu)要遵從美國混凝土協(xié)會（ACI,AmericanConcreteInstitute）標準，鋼結(jié)構(gòu)要遵從美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（AISC，AmericanInstituteofSteelConstruction）標準，等等。ASTM標準分以下六種類型：①標準試驗方法(standardtestmethod)。標準試驗方法是指為鑒定、檢測和評估材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)或服務(wù)的質(zhì)量、特性及參數(shù)等指標而采用的規(guī)定程序，如《通過膠帶試驗測定附著力的試驗方法》（ASTMD3359—2009e2）等。知識庫②標準規(guī)范(standardspecification）。標準規(guī)范對材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)或項目提出技術(shù)要求并給出具體說明，同時還提出了滿足技術(shù)要求而應(yīng)采用的程序。標準規(guī)范，如《非金屬材料暴露用熒光紫外線燈的操作規(guī)范標準》（ASTMG154—2012a）。③標準慣例(standardpractice）。標準慣例對一種或多種特定的操作或功能給予說明，但不產(chǎn)生測試結(jié)果的程序。知識庫④標準術(shù)語(standardterminology）。標準術(shù)語對名詞進行描述或定義，對符號、縮略語、首字縮寫進行說明。⑤標準指南(standardguide）。標準指南對某一系列標準進行選擇或?qū)τ梅ㄟM行說明，但不介紹具體的實施方法。知識庫⑥標準分類(standardclassfication）。標準分類根據(jù)來源、組成、性能或用途對材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)或特定服務(wù)進行區(qū)分和歸類。美國標準依靠的是行業(yè)協(xié)會，通過行業(yè)協(xié)會強大的號召力，制定被認可的標準并爭取在世界上得到推廣。知識庫（3）中國標準。我國的常用標準有三大類：第一類是國家標準，包括強制性國家標準（代號GB）和推薦性國家標準（代號GB/T），如《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）等；第二類是行業(yè)標準，如建工行業(yè)標準（代號JG）、建材行業(yè)標準（代號JC）、交通行業(yè)標準（代號JT）等；第三類是地方標準（代號DB）和企業(yè)標準（代號QB）。任何技術(shù)或產(chǎn)品不得低于強制性國家標準規(guī)定的要求；推薦性國家標準表示也可執(zhí)行其他標準的要求；地方標準或企業(yè)標準所制定的技術(shù)要求應(yīng)高于國家標準。知識庫中國標準、規(guī)范大多是政府相關(guān)行政部門主導編制頒布的，大多數(shù)政府部委都頒布了主管范圍內(nèi)的行業(yè)標準、規(guī)范。因此，我國各行業(yè)的標準、規(guī)范有所差異，互不相同，與歐洲標準的統(tǒng)一體系形成反差。THANKYOU土木工程材料

第2章金屬材料鋼材的組成、生產(chǎn)與分類鋼材的力學性能鋼材的工藝性能鋼材的加工與強化2.12.22.32.4第2章金屬材料土木工程中常用的鋼材鋼材的腐蝕與防護土木工程其他常用金屬材料2.52.62.7第2章金屬材料金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料三大類。黑色金屬是指以鐵為主要成分的金屬及其合金材料，如工業(yè)純鐵、鑄鐵和碳素鋼。有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，如銅、鋁、鉛等。特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。在土木工程中，金屬材料多種多樣，其中鋼材就是最為重要的一種金屬材料，主要應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。從20世紀90年代起，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，一棟棟高樓大廈拔地而起，帶動著建筑工程的發(fā)展，而在未來鋼材的需求量將會越來越大。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類

2.1.1鋼材的組成鋼材的化學成分1.鋼材的化學成分主要是碳、硅、錳、磷、硫以及氧、氮、氫等元素。（1）碳(C)。碳是鋼材中除鐵之外含量最多的元素，決定著鋼材的性能。鋼材的強度和硬度隨著含碳量的增加而相應(yīng)地提高，而塑性和韌性則相應(yīng)降低。土木工程所用鋼材的含碳量不應(yīng)大于0.8%。這是因為當鋼材中的含碳量達到0.8%時，鋼材的強度最大；但超過0.8%時，鋼材的強度反而下降，其下降曲線類似于拋物線。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類（2）硅(Si)。硅是在鋼材煉制過程中為了脫氧去硫而加入的元素，可以提高鋼的強度和韌性。硅在一般碳素鋼中的含量為0.1%~0.4%。如果把硅作為合金元素加入鋼中，當其含量達到1.0%~1.2%時，鋼材的抗拉強度可提高15%~20%,但焊接性能變差，塑性和韌性明顯降低。（3）錳(Mn)。錳是在鋼材煉制過程中為了脫氧去硫而加入的元素，錳元素的加入可以提高鋼的強度和韌性，降低鋼的脆性。錳的脫氧去硫作用比硅弱。錳在一般碳素鋼中的含量為0.25%~0.8%。當錳在鋼中的含量小于0.8%時，錳對鋼的性能影響不顯著；但當錳含量大于1.0%時，鋼材的耐腐蝕和焊接性能會降低。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類（4）磷(P)。磷是在鋼材提煉過程中帶進來的有害元素。當鋼材中的磷含量增加時，鋼材的強度增加，而塑性和韌性下降。磷元素對鋼材的冷脆性影響較大，使鋼材在低溫條件下冷脆性變大，而且顯著影響鋼材的可焊性。（5）硫(S)。硫不僅在大氣中是有害元素，而且是鋼材中的有害元素。硫在鋼材中以硫化鐵（FeS）的形式存在，硫化鐵是一種低熔點化合物。在鋼材的焊接過程中，隨著溫度的增加，硫化鐵熔化，致使鋼材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，對鋼材的強度和韌性造成不利影響。硫還有強烈的偏析作用，因此，硫在鋼材中的含量應(yīng)受到嚴格的控制。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類（6）氧(O)、氮(N)、氫(H)。氧、氮、氫這三種氣體對鋼材來講都是有害氣體，因為這三種氣體會顯著降低鋼材的塑性和韌性。氧在鋼材中的存在形式大多為氧化物形式，能夠使鋼材的強度、塑性和可焊性降低。當鋼材中的氮元素含量增加時，鋼材的強度和硬度會相應(yīng)地提高，而塑性和韌性則大大降低，而且鋼材冷脆性和焊接性能發(fā)生變化。鋼材中溶有氫會引起鋼材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋和白點（圓圈狀的斷裂面），斷口有白點的鋼材一般不能用于建筑結(jié)構(gòu)。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類鋼材的晶體組織2.鋼材是多晶體，鐵原子和碳原子在晶粒中以不同的規(guī)律排列，可以形成不同的晶格。晶格是用于描述原子在晶體中排列規(guī)律的三維空間幾何點陣，而晶胞是晶格中能夠代表晶格特征的最小幾何單元，如圖2-1所示。鐵、碳兩種元素可以不同的形態(tài)存在，這種形態(tài)稱為晶體組織。鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，其稱為鋼材的晶體組織，因在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像，故也稱顯微組織。顯微組織主要有鐵素體、珠光體、滲碳體和奧氏體四種。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類圖2-1晶格與晶胞2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類1）金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料通常都是一種晶體材料。金屬的晶體結(jié)構(gòu)反映金屬材料內(nèi)部的原子排列的規(guī)律。它決定著材料的顯微組織和材料的宏觀性能。晶體中原子(或離子)規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)，如圖2-2（a）所示。通過金屬原子(或離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架，這種格架稱為晶格，如圖2-2（b）所示。晶格的結(jié)點為金屬原子(或離子)平衡中心的位置。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類圖2-2金屬的晶體結(jié)構(gòu)及晶格2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類金屬晶體的晶格通常有面心立方晶格、體心立方晶格和密集六方晶格三種類型，如圖2-3所示。（1）面心立方晶格。面心立方晶格的特征為金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心，面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。具有面心立方晶格的金屬有鋁、銅、鎳、金、銀、γ-鐵等。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類（2）體心立方晶格。體心立方晶格的晶胞中，八個原子處于立方體的角上，一個原子處于立方體的中心，角上的八個原子與面中心的原子緊靠。具有體心立方晶格的金屬有鉬、鎢、釩、α-鐵等。（3）密集六方晶格。密集六方晶格的特征是金屬原子分布在立方體的十二個角上，在上下底面的中心各分布一個原子，上下底面之間均勻分布三個原子。具有密集六方晶格的金屬有鎂、鎘、鋅、鈹?shù)取?.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類圖2-3金屬晶體的晶格類型2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類2）鋼的基本晶體組成鋼的基本晶體組成如下：（1）鐵素體。鋼材中的鐵素體為碳在α-Fe中的固溶體。由于α-Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體的含碳量很少（小于0.02％），由此決定其塑性、韌性好，但強度、硬度低。（2）滲碳體。滲碳體為鐵和碳的化合物碳化三鐵（Fe3C）。其含碳量高達6.67％，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，抗拉強度低。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類（3）珠光體。珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物。其含碳量為0.8%，強度較高，塑性和韌性介于鐵素體和滲碳體之間。（4）奧氏體。奧氏體是指γ-Fe中的固溶體。其溶碳能力較強，高溫時含碳量可達2.06％，低溫時下降至0.80％。其強度、硬度不高，但塑性好。碳素鋼處于紅熱狀態(tài)時即存在這種組織，這時鋼易于軋制成形。晶體組織的劃分、組成、含碳量及其性能比較見表2-1。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類當溫度T≤727℃時，鋼的晶體組織為鐵素鐵、滲碳體、珠光體；當T>727℃時，鋼的晶體組織為奧氏體。建筑鋼材的含碳量不大于0.8%,其基本組織為鐵素體和珠光體。當鋼材的含碳量增大時，珠光體的相對含量隨之增大，鐵素體則相應(yīng)減小。因此，在一定范圍內(nèi)，鋼材的強度隨著含碳量增大而提高，但塑性和韌性則相應(yīng)下降。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類鋼材的組成對性能的影響3.鋼材中含量最大的元素為鐵，其次為碳，以及硅、錳、磷、硫、氧、氮、氫等元素。每一種元素本身具有一定的特性，當在鋼材的冶煉過程中將這些元素加入以后，鋼材的自身特性會隨著各種元素的多少而產(chǎn)生差異性。除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中引入一些其他元素，這些元素存在于鋼材的組織結(jié)構(gòu)中，對鋼材的結(jié)構(gòu)和性能有重要的影響。這些元素可分為兩類：一類是能改善優(yōu)化鋼材性能的元素，稱為合金元素，主要有硅、錳、鈦、釩、鈮等；另一類是會劣化鋼材性能的元素，屬于鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等?；瘜W元素對鋼材性能的影響見表2-2。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類注：“↑”代表含量增大或性能增強，“↓”代表含量減小或性能降低，“↑↑”代表性能增強程度較大，“↓↓”代表性能降低程度較大。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類圖2-4所示為含碳量對鋼材性能的影響。從圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)，鋼材的硬度和強度隨含碳量的增加而提高，鋼材的塑性、韌性和冷彎性能隨著含碳量的增加而下降。當含碳量增至0.8%左右時，鋼材的強度達到最大；當含碳量超過0.8%以后，強度反而下降。圖中，σb表示抗拉強度，HB表示硬度，αk表示沖擊韌性，ψ表示面積收縮率，δ表示伸長率。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類圖2-4含碳量對鋼材性能的影響2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類

2.1.2鋼材的生產(chǎn)與分類鋼材的生產(chǎn)1.1）冶煉鐵元素在地殼中占4.7%，通常以化合物的形式存在于鐵礦石中。主要的鐵礦石有赤鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦。把鐵礦石、焦炭、石灰石(助熔劑)按一定比例裝入高爐中，在爐內(nèi)高溫條件下，焦炭中的碳與礦石中的氧化鐵發(fā)生化學反應(yīng)，將礦石中的鐵還原出來，此過程中生成的一氧化碳和二氧化碳由爐頂排出，從而使礦石中的鐵和氧分離。通過這種冶煉方法得到的鐵中仍含有較多的碳和其他雜質(zhì)，故其性能既硬又脆，影響使用，因而上述過程稱為煉鐵。2.1鋼材的組成、生產(chǎn)與分類將鐵在煉鋼爐中進一步熔煉，并供給足夠的氧氣，通過爐內(nèi)的高溫氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳氣體而逸出，其他雜質(zhì)則形成氧化物進入爐渣中被除去，這樣可得到含